淺談先進高強鋼發展現狀與工程創新

　　摘要介紹了先進高強鋼的發展現狀與趨勢，并簡要論述了中國寶武先進高強鋼開發歷程以及典型先進高強鋼產線自主集成與工程創新實踐。中國寶武典型先進高強鋼產線的建設對于提升我國汽車用超高強鋼生產技術水平和引領我國汽車用超高強鋼生產技術進步具有重要的戰略意義。

　　關鍵詞汽車鋼板先進高強鋼創新

　　1前言

　　伴隨著汽車工業的發展，燃油經濟性、低碳排放和更加注重安全性對車身輕量化提出了新的要求和挑戰。輕量化、節能降耗是未來汽車工業發展的主要方向，而超高強鋼的發展和應用依然是未來汽車用鋼發展方向和鋼鐵企業的核心競爭力[1-3]。

　　目前，鋼鐵在國內整車重量中的比例約為65%～70%，即使考慮非鋼輕量化材料的替代作用，鋼鐵在今后相當長的時間內仍將是我國汽車生產最主要的材料。先進高強鋼兼具高強度和較好的成形性能，已被廣泛應用于車身的結構件和安全件，采用先進高強鋼板目標是實現汽車重量更輕、材料更薄、燃油效率更高，同時具備耐碰撞性，最大程度地確保乘客安全[4-5]。先進高強鋼可以使得汽車制造廠商滿足日益嚴格的安全、減排和性能目標，同時具備成本優勢。汽車先進高強鋼研制及輕量化應用技術，是實現汽車節能減排、提高汽車被動安全的重要途徑，是世界各大鋼鐵和汽車企業競相開發的技術制高點。

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　　2分類與現狀

　　根據國際上對汽車用鋼的研究[4-6]，用在汽車上的高強鋼(HighStrengthSteel，HSS)是指抗拉強度(Rm)在270MPa～780MPa之間，而其抗拉強度在780MPa以上的鋼稱為超高強鋼(UltraHighStrengthSteel，UHSS)。汽車用先進高強鋼(AdvancedHighStrengthSteel，AHSS)包含了HSS和UHSS的范圍。汽車用AHSS主要包括雙相(Dualphase，DP)鋼、相變誘發塑性(Transformationinducedplasticity，TRIP)鋼、復相(Complexphase，CP)鋼、孿晶誘發塑性(Twinninginducedplasticity，TWIP)鋼、馬氏體(M)鋼及淬火-碳分配鋼(QuenchingandPartitioning，QP)等。

　　AHSS的強化機理與傳統高強鋼相比，AHSS主要通過相變強化鋼種而傳統高強鋼則多以固溶、析出、細化晶粒等方式強化鋼種。AHSS同時具備高強度和優良成形性能，從而使強塑積(Rm×A)成為衡量汽車用鋼性能的重要指標。根據強塑積數值的不同又將AHSS分為第一代AHSS、第二代AHSS和第三代AHSS。目前第三代AHSS的研發工作仍在進行當中，部分研發成果已經工業化生產。相比于傳統高強鋼，先進高強鋼具有更高的強度和更好的成形性能，根據強塑積的不同，先進高強鋼可以分為以DP鋼、TRIP鋼為代表的第一代先進高強鋼、以TWIP鋼為代表的第二代先進高強鋼和以QP鋼為代表的第三代先進高強鋼。

　　其中，第一代先進高強鋼的組織以鐵素體、貝氏體和馬氏體為基體，含有少量奧氏體，強塑積在10～15GPa%之間;第二代高強鋼的組織為100%的奧氏體，合金含量高，強塑積在40GPa%以上;第三代高強鋼的組織以多相、亞穩、多尺度為特征，合金含量適中，強塑積在15～40GPa%之間。雙向鋼(DP鋼)的顯微組織為鐵素體和馬氏體，馬氏體組織以島狀彌散分布在鐵素體基體上。

　　雙相鋼具有低的屈強比和較高的加工硬化性能，在同等屈服強度水平下，較高強度低合金鋼具有更高的強度，是結構類零件首選材料之一[7-10]。在已開發的先進高強度鋼板產品中，高強度雙相鋼板是汽車中應用最寬的品種之一。為滿足汽車工業發展需求，本著降低汽車自重、減少能源消耗、提高防腐蝕性能、降低生產成本的目的，汽車用雙相鋼正向著高強化、鍍鋅化、細晶化方向發展。孿生誘發塑性鋼(TWIP鋼)是一種高錳奧氏體鋼，其錳含量在15%～30%之間，室溫下為奧氏體組織，在塑性變形過程中，通過產生孿晶來細化晶粒，阻礙位錯的運動，從而提高材料的加工硬化率，得到高強度和極高伸長率，同時具有高的能量吸收能力。

　　第二代AHSS的良好成型性能有利于汽車結構件的制作，良好的抗碰撞能力能提高汽車的安全性，即作為汽車用鋼的第二代AHSS能夠滿足輕量化和高安全性的雙重要求，但與第一代AHSS相比，第二代AHSS添加了大量的Cr、Ni、Mn、Si和Al等合金元素，導致其生產成本較高且冶煉、軋制等生產工藝控制難度加大，不利于工業化大生產，從而不能廣泛的應用于汽車制造領域[7]。由于TWIP鋼的合金含量高、強度大，導致冶煉、連鑄難度大，軋制和板形控制困難，因此如何實現TWIP鋼的工業化生產是一個難題。但是，TWIP鋼的冶煉、連鑄工藝，鋼材的延遲斷裂、切口敏感性以及可涂鍍性能都是防礙此鋼得到廣泛應用的生產技術難題。

　　淬火延性鋼(QP鋼)是由TRIP鋼發展而來，由美國的JSpeer等人[11]在2003年提出，在TRIP開發基礎上，將高碳和中碳含硅鋼淬火后，再在馬氏體以上的一定溫度進行等溫，使碳由馬氏體分配到殘余奧氏體，從而得到由馬氏體和殘余奧氏體兩相構成的室溫組織，這種工藝被稱為淬火-碳分配工藝。

　　也就是說，淬火-碳分配工藝是在鋼發生部分馬氏體相變后將其進行等溫配分處理，使碳元素從馬氏體中擴散到未轉變的奧氏體中，從而提高奧氏體的穩定性。淬火延性鋼(QP鋼)的顯微組織為馬氏體+鐵素體+殘余奧氏體等多相復合組成，利用馬氏體帶來的超高強度和殘余奧氏體的相變誘導塑性(TRIP)效應，可獲得比傳統超高強鋼更優越的成形性能。QP鋼具有中等屈強比和較高的加工硬化性能，適合用于外形相對復雜、強度要求高的車身骨架件和安全件。

　　QP鋼作為第三代的先進高強鋼，相比DP鋼，在強度、延展性、沖壓成形性能方面表現更加優異，用作汽車鋼板除可減輕車身自重、降低油耗外，同時還具有較強的能量吸收能力，因而在汽車輕量化領域得到越來越多的應用，逐漸取代DP鋼的地位。但是，當鋼暴露于氫環境時常會發生塑性和強度損失，產生氫致延遲斷裂(氫脆)現象。氫致延遲斷裂如在高強鋼中發生，可導致突然的脆斷[12-13]。有關氫脆問題已得到各科研院所和企業重視，并不斷深入研究中。

　　3寶武現狀

　　中國寶武一直將汽車板作為公司最主要的戰略產品之一，在行業內最先批量生產了一代、二代及三代高強鋼，率先通過大眾、通用及日系車企等汽車制造廠的高強汽車板認證，具有成熟的超高強鋼一貫制生產工藝，同時持續跟蹤和研究世界上最先進的汽車板生產技術，形成汽車用板產品為核心的專業生產技術自主集成能力，使中國寶武在國內汽車板應用技術領域持續保持領先。中國寶武超高強鋼制造技術研發始于2002年，至今已有18年的歷史。由于國外技術封鎖，中國寶武始終立足自主研發與裝備自主集成，在國內率先開發出超高強鋼成套制造技術并于2009年實現產業化。

　　在近些年的自主研發及生產實踐中，不僅培養了研發與應用經驗豐富、技術水平國際一流的科研隊伍，而且形成了先進、完善的超高強鋼新產品開發、制造與應用新技術研究、生產管理及用戶服務的體系與平臺。中國寶武2013年在國際上率先開發并量產第三代超高強度鋼—QP鋼，即淬火延性鋼。該鋼種不僅具有超高強度，且具備較高延伸率，特別適用于生產外形相對復雜、強度要求較高的沖壓件。QP高強度鋼充分利用超高強度鋼板的塑性特性、加工硬化特性，可更好地實現減重和車輛性能優化。2015年2月，中國寶武QP1180GA先進汽車高強鋼全球首發，第一卷QP1180GA鋼成功下線。

　　QP1180GA鋼板首次實現了980MPa強度以上級別高強鋼的鋅層合金化，在達到了1200MPa的超高強度的同時，具有15%以上的高延展率，具有更好的焊接性能、涂著性能、耐熱性和耐腐蝕性，為實現汽車的輕量化發展提供了有力支撐。2015年6月，中國寶武第三代汽車用鋼中錳鋼，實現了材料和零件雙全球首發。該材料包括了冷軋CR980MPa級、熱鍍鋅GI980MPa級和熱鍍鋅GI1180MPa級等系列鋼種。980MPa級和1180MPa級中錳鋼擁有超高強塑性匹配，屈服強度為760MPa～1100MPa，抗拉強度為980MPa～1250MPa;成型性好:伸長率≥30%;減重能力佳:減重≥15%。

　　其適用范圍比一般超高強鋼更為廣泛，應用前景包括汽車A柱、B柱、防撞梁和門檻加強件等眾多車身結構件。2015年11月，中國寶武發布了自主研發的超輕型白車身BCB(BaosteelCarBody)，這是國內鋼企首次發布完整的車身產品。BCB用材涵蓋寶鋼第一代、第二代和第三代汽車用鋼，包括最新開發的1180QP、1500MS、950TWIP等新材料，高強鋼應用比例達77.5%，鍍鋅板達75%在成型工藝方面，應用了寶鋼熱沖壓成型、液壓成型、輥壓成型、VRB板成型和激光拼焊板成型等先進成型技術，安全性、舒適性和輕量化達到國際先進水平。

　　2019年，歷時3年的持續技術攻關，抗拉強度達1500MPa的高性能冷軋淬火延性鋼QP1500在中國寶武成功下線。這是繼2010年全球首發QP980產品以來，中國寶武在第三代先進高強鋼方面的又一重要突破。QP1500的全球首發，意味著在助推中國寶武成為全球鋼鐵業引領者的道路上，中國寶武汽車板又邁出了堅實的一步。采用QP1500后，可實現較為復雜形狀零部件的冷沖壓制造，與現有冷沖壓超高強鋼相比，可實現減重10%～20%。

　　4產線自主集成與工程創新

　　寶鋼湛江鋼鐵有限公司新建的連退/熱鍍鋅機組是一條超高強鋼專業生產線，產品目標市場是汽車用冷軋超高強鋼，年產能38萬噸，產品規格為0.6mm～2.5mm×800mm～1400mm。本工程主要以超高強鋼產品市場為導向，生產適銷于市場的超高強鋼普冷產品和熱鍍鋅產品。充分利用寶武的工藝技術優勢，采用中國寶武和當前世界上的最優技術和設備，助力湛江鋼鐵打造成為全球最先進、最高效、最具競爭力的百萬噸級超高強鋼生產基地，引領世界超高強鋼制造技術發展方向。本工程的建設對于提升我國汽車用超高強鋼生產技術水平和引領我國汽車用超高強鋼生產技術進步具有重要的戰略意義。

　　本工程是一條由中國寶武自主集成設計的多功能柔性高強度薄帶鋼專用產線，由寶鋼工程技術集團有限公司承擔技術總成、設備設計供貨和工廠設計任務，貫徹“簡單、高效、低成本、高質量”的設計理念，充分吸收和借鑒湛江一期、二期冷軋的建設經驗以及積累的工藝技術優勢和生產經驗，選配合理的工藝裝備，踐行智慧制造理念，推進自動生產，配置自動拆捆、自動取樣、自動撈渣、自動取樣、自動貼標等智能裝備，建設成裝備水平先進、產品質量優良，能源消耗低、勞動生產率高、環境保護好、工程投資合理的精品冷軋工程。

　　本工程建設周期短，從2017年12月18日開工建設，于2019年10年9月熱負荷投產試車，是中國寶武同類機組中建設周期最短的項目。本工程自熱負荷試車投產以來，穩定運行后并實現了月“四達”，機組的產量、成材率、能耗、噸鋼成本等關鍵指標均優于設計值，為湛江鋼鐵創造了良好的經濟效益和社會效益。

　　本工程在滿足生產工藝和產品方案的前提下，優化配置，做到設備選型與工藝需求融為一體，優化工程投資。在自主集成設計與工程實踐中形成了以下技術創新亮點:1)產品定位于汽車用先進高強鋼，是一條連退/熱鍍鋅多功能柔性切換的高強鋼專用生產線。2)工藝設計和設備配置合理，采用世界上生產超高強鋼的先進生產工藝，具有較高的前瞻性。3)采用激光焊機，以滿足超高強鋼的焊接要求。

　　4)踐行智慧制造，推進自動生產，配置了自動拆捆、自動取樣、自動撈渣、自動貼標等智能裝備。5)退火爐加熱采用“直火+橫磁感應+輻射管”，并配置了爐內增濕系統，為實現第三代超高強鋼的生產提供了進一步發展的空間，同時也為現有已成熟超高強鋼的性能和成材率的提升留有技術進步的可能。6)爐子廢氣系統中設置余熱回收裝置，有利于節能。7)快冷段采用模塊冷卻系統，保證高強鋼所需的冷卻能力。8)快冷之后配備雙感應加熱，可以優化QP鋼和DP鋼等先進高強鋼性能，實現更加靈活的退火工藝曲線配置。9)在超高強鋼帶溫檢測和控制、爐內氣氛檢測和控制方面做綜合改進。10)采用感應加熱陶瓷鋅鍋，鋅鍋帶有液面溫度控制和液面探測系統，可根據液位信號向鋅鍋自動喂入鋅錠。

　　11)采用三輥式鍍輥設備，邊部擋板、氣刀快速離線裝置和多方位、高精度的定位調整系統。對帶鋼板型和位置變化適應性強，并方便更換操作，可實現高速下生產出均勻的鍍層。12)保證工程裝備水平先進、產品質量優良，能源消耗低、勞動生產率高、環境保護好，工程投資合理。13)注重工程投資及運行成本的經濟合理性。采用成熟可靠的技術并注重研究加快建設進度的措施，以成熟實用的技術為基礎，采用自主集成設計的模式，最大程度的降低投資，縮短工程建設周期。14)重視節能、環保和清潔生產，符合節能和清潔生產要求，力求能耗低、物耗低、綜合利用好，廢棄物少;工藝和設備選型上重視環境保護，努力把污染降到最低水平，排放指標不低于國內先進水平，實現清潔生產。

　　5結論

　　鋼鐵行業追求進步的腳步從未停止。在可見的未來，鋼材仍是汽車輕量化的主角。鋼鐵企業近年取得的顯著進展和先進高強鋼在汽車企業的應用情況也表明，鋼鐵仍然大有潛力可挖，鋼鐵材料的應用仍大有可為，尤其先進高強度鋼的應用還將有較大的增長空間。

　　參考文獻

　　[1]陸匠心，王利.高強度汽車鋼板的生產與使用[J].汽車工藝與材料，2004(2):1-6.

　　[2]王利，楊雄飛，陸匠心.汽車輕量化用高強度鋼板的發展[J].鋼鐵，2006，41(9):1-8.

　　作者：王海東①嚴江生

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